用於製造硫族化合物存儲元件的蝕刻方法

2023-07-29 13:21:41

專利名稱：用於製造硫族化合物存儲元件的蝕刻方法
技術領域：
本發明通常涉及半導體器件及製造領域，更加具體地，本發明涉及存儲元件和製造存儲元件的方法。
背景技術：
硫族化合物材料合金具有通過施加溫度在非晶相和晶相之間轉變的能力。相變既改變了材料的電學性能也改變了材料的光學性能。近來，這些材料已被引入諸如相變化存儲器(OUM)這樣的非易失性存儲元件。
用於生產OUM的普通硫族化合物為GexSbyTez(GST)，其中典型值為x＝2，y＝2及z＝5。在輸入皮焦耳的能量的情況下，硫族化合物在毫微秒時段內可以在多種電可探測的變化的阻抗條件之間切換。硫族化合物存儲單元的操作要求已知為活性區的硫族化合物存儲材料區域經受電流脈衝而在所述活性區中改變硫族化合物材料的結晶狀態。典型地，需要在大約105和107A/cm2之間的電流密度。為了在商業性可行的器件中獲得這種電流密度，每個存儲單元的活性區應被製作的儘可能地小以最小化存儲器件使用的總電流。
用於蝕刻GST膜的技術現狀是使用離子銑削。這一點可參見Klersey(美國專利申請號2003/0075778)，其描述了使用離子銑削來蝕刻GST膜。儘管離子銑削造成了各向異性蝕刻的部件，但是這種工藝形成能在器件表面再沉積的非易失性蝕刻產品。因此，GST OUM器件所要求的這種小部件的產量很低。
為了增加GST OUM器件的產量，需要具體規定用於GST膜的蝕刻步驟的操作參數以使得在降低非易失性蝕刻產品的同時該工藝被實現為值得生產的工藝(例如沒有所需要的難以獲得的或不可控制的參數值)。
因此需要這樣一種工藝，其在降低非易失性蝕刻產品的同時以對於蝕刻掩模和蝕刻停止層有選擇性的可控制的蝕刻速度各向異性地蝕刻GST。
現有技術沒有提供本發明所帶來的任何益處。
因此，本發明的一個目的是提供一種改進，其克服了現有技術器件的不足，並且對於半導體處理技術的進展做出了重要貢獻。
本發明的另一個目的是提供一種用於形成存儲元件的改進的方法，所述方法包括以下步驟在真空室中放置基板，所述基板具有介電蝕刻停止層、硫族化合物層、抗反射層和掩模層；將至少一種含氯氣體引入所述真空室；在所述真空室中激發高密度等離子體；蝕刻所述硫族化合物層和所述抗反射層以在所述基板上暴露所述介電蝕刻停止層；從所述真空室移去所述基板；以及從所述基板剝離所述掩模層。
本發明的再一個目的是提供一種用於形成存儲元件的改進的方法，所述方法包括以下步驟在真空室中放置基板，所述基板具有介電蝕刻停止層、硫族化合物層、抗反射層和掩模層；將至少一種含氯氣體引入所述真空室；在所述真空室中激發高密度等離子體；蝕刻所述硫族化合物層和所述抗反射層以在所述基板上暴露所述介電蝕刻停止層；根據終點探測系統中斷所述蝕刻步驟；從所述真空室移去所述基板；以及從所述基板剝離所述掩模層。
前面的說明已概述了本發明的一些有關的目的。這些目的應當理解成本發明的更顯著的特徵和應用的示例性描述。通過以不同的方式應用本公開的發明或者在公開的範圍內修改本發明可以獲得很多其它的有益的結果。因此，除了結合附圖參照由權利要求書限定的本發明的範圍之外，通過參照本發明的發明內容和具體實施方式
可以獲得本發明的其它目的以及對本發明的更全面的理解。

發明內容
為了概述本發明的目的，本發明包括一種改進的方法，用於在形成諸如相變化存儲器(OUM)這樣的存儲元件時蝕刻如Ge2Sb2Te5(GST)這樣的硫族化合物層。
本發明的特徵是提供一種用於形成存儲元件的改進的方法。該方法包括以下步驟。在真空室中放置基板。所述基板可以是半導體基板如矽、砷化鎵或任何已知的包括化合物半導體如II-VI族化合物和III-V族化合物的半導體。所述基板可以放置在真空室中的基板支架上。所述基板支架可以是在真空室中用於產生電場的下電極。所述基板具有介電蝕刻停止層、硫族化合物層、抗反射層和掩模層。所述硫族化合物層可以是GexSbyTez膜，其中比率為Ge2Sb2Te5。至少一種含氯氣體如BCl3和Cl2被引入所述真空室，用於通過從真空室中的所述含氯氣體激發的高密度等離子體蝕刻所述硫族化合物層和抗反射層。另外，可以將含氫氣體和/或氧清掃氣體引入所述真空室以形成用於蝕刻所述基板的等離子體。高密度等離子體由高密度等離子體源如在大約2MHz頻率下工作的感應耦合等離子體源產生。蝕刻所述硫族化合物層和所述抗反射層以在所述基板上暴露所述介電蝕刻停止層。通過真空室中的基板夾持器向所述基板施加偏壓。RF偏壓可以在約13.56MHz的頻率下工作。一旦結束蝕刻工藝，就從所述真空室移去所述基板並且從所述基板剝離所述掩模層。
本發明的另一個特徵是提供一種用於形成存儲元件的改進的方法。該方法包括以下步驟。在真空室中放置基板。所述基板可以是半導體基板如矽、砷化鎵或任何已知的包括化合物半導體如II-VI族化合物和III-V族化合物的半導體。所述基板可以放置在真空室中的基板支架上。所述基板支架可以是在真空室中用於產生電場的下電極。所述基板具有介電蝕刻停止層、硫族化合物層、抗反射層和掩模層。所述硫族化合物層可以是GexSbyTez膜，其中比率為Ge2Sb2Te5。至少一種含氯氣體如BCl3和Cl2被引入所述真空室，用於通過從真空室中的所述含氯氣體激發的高密度等離子體蝕刻所述硫族化合物層和抗反射層。另外，可以將含氫氣體和/或氧清掃氣體引入所述真空室以形成用於蝕刻所述基板的等離子體。高密度等離子體由高密度等離子體源如在大約2MHz頻率下工作的感應耦合等離子體源產生。蝕刻所述硫族化合物層和所述抗反射層以在所述基板上暴露所述介電蝕刻停止層。通過真空室中的基板夾持器向所述基板施加偏壓。RF偏壓可以在約13.56MHz的頻率下工作。根據終點探測系統如光發射光譜系統在如387nm的特定波長下監控的蝕刻終點軌跡中斷蝕刻工藝。一旦結束蝕刻工藝，就從所述真空室移去所述基板並且從所述基板剝離所述掩模層。
前面的說明相當寬泛地概述了本發明的更相關並且更重要的特徵，以使得以下的本發明的更詳細的描述可以被更好地理解，從而使得本發明對現有技術的貢獻能被更全面地理解。本發明其它的特徵將在下面進行描述，其形成為本發明的權利要求的主題。本領域的普通技術人員應當理解這裡所公開的構思和具體實施例可以很容易被用作修改或設計其它結構以執行本發明的相同目的的基礎。本領域的技術人員還應當意識到這些等同的構造沒有脫離所附的權利要求書闡述的本發明的精神和範圍。


圖1A是在蝕刻前GST測試結構的圖形表示；圖1B是在蝕刻後GST測試結構的圖形表示；圖2是根據本發明用BCl3/Cl2氣體混合物蝕刻的基板上的單個GST測試結構的掃描電子顯微鏡照片；圖3是根據本發明用BCl3/Cl2氣體混合物蝕刻的基板上的幾個GST測試結構的掃描電子顯微鏡照片；圖4是根據本發明用Ar/Cl2氣體混合物蝕刻的基板上的幾個GST測試結構的掃描電子顯微鏡照片；圖5是根據本發明用HBr/Cl2氣體混合物蝕刻的基板上的幾個GST測試結構的掃描電子顯微鏡照片；和圖6顯示了在387nm下監控的圖1B的結構的蝕刻終點軌跡。
貫穿所述幾幅附圖，類似的附圖標記指示類似的部分。
具體實施例方式
公開了一種改進的方法，其使用含氯等離子體蝕刻在形成存儲器件如相變化存儲器(OUM)中使用的具有如Ge2Sb2Te5(GST)這樣的硫族化合物層的結構。
為了確定合適的蝕刻化學組成，有益地是通常要考慮潛在的蝕刻產品的標準沸點。表1顯示了在氟、氯、溴和氫基化學組成中Ge2Sb2Te5的潛在蝕刻產品。越低的標準沸點表示越易失性(希望)的蝕刻產品。
根據蝕刻產品的易失性，氟、氯、溴和氫都將潛在地形成易失性蝕刻產品。
表1標準沸點數據

圖1A顯示了在蝕刻工藝之前用於包括硫族化合物即GST層的典型的結構的多個層。圖1B顯示了在本發明的各向異性蝕刻工藝之後包括GST層的典型的結構。所示具有GST層的典型結構包括光致抗蝕劑掩模(掩模層)和GST層之間的抗反射(AR)層，並且在GST層之下還有介電蝕刻停止(SiO2，SiN等)層。除了各向異性地蝕刻GST層之外，還希望在保持GST層和最後的介電蝕刻停止層之間的高蝕刻選擇性的同時使用單步驟工藝來各向異性地蝕刻AR層和GST層。
儘管氫化學組成對於蝕刻GST層是可接受的並且具有對下面的介電蝕刻停止層的高蝕刻選擇性，但是單獨的氫對於蝕刻AR層通常是非常無效的。
氟基化學組成可以蝕刻GST層和AR層，但是對於下面的介電蝕刻停止層卻表現出差的蝕刻選擇性。
氯基化學組成能夠各向異性地蝕刻AR層和GST層，並且對於介電蝕刻停止層具有可以接受的蝕刻選擇性。注意，氯和氫的氣體混合物(H2加HCl等)也提供好的蝕刻結果。可以將氧清掃氣體(如BCl3和SiCl4)加入到處理氣體混合物以幫助平滑蝕刻表面形態並且通過側壁鈍化有助於蝕刻各向異性。
還顯示HBr/Cl2處理能夠蝕刻AR層和GST層。還顯示Ar/Cl2處理能夠蝕刻AR層和GST層。
實施例系統描述初始實驗在商用Unaxis SLR 770蝕刻機上進行。該反應器使用2MHz ICP源來產生高密度等離子體。通過在13.56MHz獨立地向陰極施加偏壓來控制基板(晶片)處的離子能量。通過將晶片機械地夾在與He背面冷卻相結合的液冷式陰極來調節晶片溫度。過程終點實驗使用商用Unaxis Spectraworks光發射系統(OES)。
實驗結果使用下面的工藝來蝕刻如圖1B中所示的測試結構BCl310sccmCl220sccm壓力 5mtorrRF偏壓50W
ICP功率800W該工藝造成GST蝕刻速率4000/分鐘光致抗蝕劑蝕刻速率 1860/分鐘介電蝕刻停止速率 500/分鐘GST∶光致抗蝕劑2.2∶1GST∶介電蝕刻停止 8∶1圖2顯示了使用BCl3/Cl2處理氣體等離子蝕刻GST層和AR層一直到下面的介電蝕刻停止層的情況下單個測試結構的橫截面的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
圖3顯示了使用BCl3/Cl2處理氣體等離子蝕刻GST層和AR層一直到下面的介電蝕刻停止層的情況下與圖2相同的幾個測試結構的橫截面的SEM照片。
圖4顯示了使用Ar/Cl2處理氣體等離子蝕刻GST層和AR層一直到下面的介電蝕刻停止層的情況下與圖2和圖3相同的幾個測試結構的橫截面的SEM照片。
圖5顯示了使用HBr/Cl2處理氣體等離子蝕刻GST層和AR層一直到下面的介電蝕刻停止層的情況下與圖2-4相同的幾個測試結構的橫截面的SEM照片。
為了最小化在過蝕刻過程中所述介電蝕刻停止層的損失，期望能檢測到蝕刻工藝到達GST與蝕刻停止層的界面的時間。通過使用光發射光譜，可以檢測到何時蝕刻到達GST與蝕刻停止層的界面。圖6顯示了圖1B的結構的蝕刻終點跡線，其中蝕刻停止層是在387nm監控下的SiN。
本公開包括所附的權利要求書包含的內容以及前面所描述的內容。儘管以一定程度的特殊性的優選形式對本發明進行了描述，但是應當理解本優選形式的公開只是以實施例的形式闡述的，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以採取結構的細節方面的多種變化以及部件的組合和布置。
權利要求
1.一種用於形成存儲元件的改進的方法，所述方法包括以下步驟在真空室中放置基板，所述基板具有介電蝕刻停止層、硫族化合物層、抗反射層和掩模層；將至少一種含氯氣體引入所述真空室；在所述真空室中激發高密度等離子體；蝕刻所述硫族化合物層和所述抗反射層以在所述基板上暴露所述介電蝕刻停止層；從所述真空室移去所述基板；以及從所述基板剝離所述掩模層。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述硫族化合物層包括GexSbyTez。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述GexSbyTez為Ge2Sb2Te5。
4.如權利要求1所述的方法，還包括步驟在所述真空室中向所述基板施加偏壓。
5.如權利要求4所述的方法，其中所述偏壓為在約13.56MHz的頻率下工作RF偏壓。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述高密度等離子體源為感應耦合等離子體源。
7.如權利要求6所述的方法，其中所述感應耦合等離子體源具有大約2MHz的頻率。
8.如權利要求1所述的方法，其中所述含氯氣體包括BCl3和Cl2的混合物。
9.如權利要求1所述的方法，還包括進入含氫氣體。
10.如權利要求1所述的方法，還包括引入氧清掃氣體。
11.一種用於形成存儲元件的改進的方法，所述方法包括以下步驟在真空室中放置基板，所述基板具有介電蝕刻停止層、硫族化合物層、抗反射層和掩模層；將至少一種含氯氣體引入所述真空室；在所述真空室中激發高密度等離子體；蝕刻所述硫族化合物層和所述抗反射層以在所述基板上暴露所述介電蝕刻停止層；根據終點探測系統中斷所述蝕刻步驟；從所述真空室移去所述基板；以及從所述基板剝離所述掩模層。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述終點探測系統使用由光發射光譜系統在特定波長下監控的蝕刻終點軌跡。
13.如權利要求11所述的方法，其中所述硫族化合物層包括GexSbyTez。
14.如權利要求13所述的方法，其中所述GexSbyTez為Ge2Sb2Te5。
15.如權利要求11所述的方法，還包括步驟在所述真空室中向所述基板施加偏壓。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述偏壓為在約13.56MHz的頻率下工作的RF偏壓。
17.如權利要求11所述的方法，其中所述高密度等離子體源為感應耦合等離子體源。
18.如權利要求17所述的方法，其中所述感應耦合等離子體源具有大約2MHz的頻率。
19.如權利要求11所述的方法，其中所述含氯氣體包括BCl3和Cl2的混合物。
20.如權利要求11所述的方法，還包括引入含氫氣體。
21.如權利要求11所述的方法，還包括引入氧清掃氣體。
全文摘要
本發明提供一種用於形成具有如Ge
文檔編號H01L45/00GK1836342SQ200480021249
公開日2006年9月20日 申請日期2004年7月20日 優先權日2003年7月21日
發明者李耀升, 邁克·德夫雷 申請人:優利訊美國有限公司